人教版選修11 電磁波的發(fā)現(xiàn) 第1課時 學(xué)案.docx

4.1電磁波的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.了解麥克斯韋電磁場理論的基本觀點及在物理學(xué)發(fā)展史上的意義.2.了解電磁波的特點及發(fā)展過程，通過電磁波體會電磁場物理性質(zhì).3.了解振蕩電流、振蕩電路及l(fā)c電路的振蕩過程，會求lc電路的周期與頻率學(xué)習(xí)重點：電磁場理論、振蕩過程光的必須掌握的重要內(nèi)容和規(guī)律：一、電磁波的發(fā)現(xiàn)1麥克斯韋電磁場理論(1)麥克斯韋電磁場理論的基本觀點：變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場(2)如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場，那么它就在空間引起周期性變化的磁場；這個變化的磁場又引起新的變化的電場于是，變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)向周圍傳播，形成了 （3）對麥克斯韋電磁場理論的理解a恒定的磁場不會產(chǎn)生電場，同樣，恒定的電場也不會產(chǎn)生磁場；b均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場，同樣，均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場；c振蕩變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生同頻率振蕩的電場，同樣，振蕩變化的電場在周圍空間產(chǎn)生同頻率振蕩的磁場2電磁波(1)根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，電磁波在真空中傳播時，它的電場強度與磁感應(yīng)強度互相垂直，而且二者均與波的傳播方向垂直，因此電磁波是 (2)電磁波在真空中傳播的速度等于 ，麥克斯韋指出了光是 波3赫茲的電火花赫茲做了一系列的實驗，觀察到了電磁波的反射、折射、干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象并通過測量、證明電磁波在真空中具有與光相同的速度這樣，赫茲證實了麥克斯韋關(guān)于光的電磁理論，赫茲在人類歷史上首先捕捉到了電磁波4.電磁波與機(jī)械波的比較(1)電磁波和機(jī)械波的共同點:二者都能產(chǎn)生干涉和衍射,二者在不同介質(zhì)中傳播時頻率不變,二者都滿足波的公式vf.(2)電磁波和機(jī)械波的區(qū)別:二者本質(zhì)不同，電磁波是電磁場的傳播，機(jī)械波是質(zhì)點機(jī)械振動的傳播；傳播機(jī)理不同，電磁波的傳播機(jī)理是電磁場交替感應(yīng)，機(jī)械波的傳播機(jī)理是質(zhì)點間的機(jī)械作用；電磁波傳播不需要介質(zhì)，而機(jī)械波傳播需要介質(zhì)，電磁波是橫波，機(jī)械波既有橫波又有縱波，甚至有的機(jī)械波同時有橫波和縱波，例如地震波二、電磁振蕩1電磁振蕩的產(chǎn)生(1)振蕩電流和振蕩電路振蕩電流：大小和 都做周期性迅速變化的電流振蕩電路：產(chǎn)生振蕩電流的電路最簡單的振蕩電路為lc振蕩電路(2)電磁振蕩的過程放電過程：由于線圈的自感作用，放電電流由零逐漸增大，電容器極板上的電荷逐漸減少，電容器里的電場逐漸減弱，線圈的磁場逐漸增強，電場能逐漸轉(zhuǎn)化為磁場能，振蕩電流逐漸增大，放電完畢，電流達(dá)到最大，電場能全部轉(zhuǎn)化為磁場能充電過程：電容器放電完畢后，由于線圈的自感作用，電流保持原來的方向逐漸減小，電容器將進(jìn)行反向充電，線圈的磁場逐漸減弱，電容器里的電場逐漸增強，磁場能逐漸轉(zhuǎn)化為電場能，振蕩電流逐漸減小，充電完畢，電流減小為零，磁場能全部轉(zhuǎn)化為電場能. 此后，這樣充電和放電的過程反復(fù)進(jìn)行下去2. 電磁振蕩中各物理量的變化情況如圖所示3電磁振蕩的周期和頻率(1)電磁振蕩的周期t：電磁振蕩完成一次 需要的時間(2)電磁振蕩的頻率f：1 s內(nèi)完成的周期性變化的次數(shù)(3)lc電路的周期t、頻率f與自感系數(shù)l、電容c的關(guān)系是t2、f典例1根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，下列說法正確的是()a有電場的空間一定存在磁場，有磁場的空間也一定能產(chǎn)生電場b在變化的電場周圍一定產(chǎn)生變化的磁場，在變化的磁場周圍一定產(chǎn)生變化的電場c均勻變化的電場周圍一定產(chǎn)生均勻變化的磁場d周期性變化的磁場周圍空間一定產(chǎn)生周期性變化的電場解析選d根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，只有變化的電場才能產(chǎn)生磁場，均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場，非均勻變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，只有d正確。典例2(多選)電磁波和聲波比較，下列說法正確的是()a電磁波的傳播不需要介質(zhì)，聲波的傳播需要介質(zhì)b由空氣進(jìn)入水中時，電磁波的速度變小，聲波的速度變大c由空氣進(jìn)入水中時，電磁波的波長變小，聲波的波長變大d由空氣進(jìn)入水中時，電磁波的頻率變小，聲波的頻率變大解析選abc選項a、b與事實相符，電磁波本身是物質(zhì)的，傳播不需要介質(zhì)，而機(jī)械波的傳播必須借助介質(zhì)，機(jī)械波的波速由介質(zhì)決定，電磁波進(jìn)入介質(zhì)后的傳播遵守折射原理，a、b正確；不論是電磁波還是機(jī)械波，傳播過程中頻率是不變的，選項d錯誤；由公式可知c正確。歸納總結(jié)：電磁波和機(jī)械波都遵守波長、波速、頻率的關(guān)系公式，電磁波進(jìn)入介質(zhì)遵守公式n。典例3lc振蕩中，某時刻磁場方向如圖所示，則下列說法錯誤的是()a若磁場正在減弱，則電容器上極板帶正電b若電容器正在放電，則電容器上極板帶負(fù)電c若電容器上極板帶正電，則線圈中電流正在增大d若電容器正在放電，則自感電動勢正在阻礙電流增大解析選c該題圖中標(biāo)明了電流的磁場方向，由安培定則可判斷出振蕩電流在線圈中逆時針(俯視)流動。若該時刻電容器上極板帶正電，則可知電容器處于充電階段，電流正在減小，知a選項正確；若該時刻電容器上極板帶負(fù)電，則可知電容器正在放電，電流正在增大，知b選項正確；由楞次定律知d選項正確。錯誤選項只有c。典例4如圖所示是一個lc振蕩電路中電流的變化圖線，以下說法正確的是()at1時刻電感線圈兩端電壓最大bt2時刻電容器兩極板間電壓為零ct1時刻電路中只有電場能dt1時刻電容器所帶電荷量為零解析選d由題圖可知t1時刻電流i最大，說明放電結(jié)束，磁場能最大，電場能為零，電壓、電荷量均為零。t2時刻電流i最小，說明還沒放電，則磁場能為零，電場能最大，電壓、電荷量均最大。綜上所述，只有d正確。課堂練習(xí)：1下列關(guān)于電磁波的說法正確的是()a均勻變化的磁場能夠在空間產(chǎn)生電場b電磁波在真空和介質(zhì)中傳播速度相同c只要有電場和磁場，就能產(chǎn)生電磁波d電磁波在同種介質(zhì)中只能沿直線傳播解析：選a由麥克斯韋電磁場理論知a正確；電磁波在真空中傳播速度最大，為c3108 m/s，在介質(zhì)中傳播速度v，n為介質(zhì)折射率，選項b錯誤；均勻變化的電場或磁場，不能產(chǎn)生電磁波，選項c錯誤；電磁波只有在同種均勻介質(zhì)中才沿直線傳播，選項d錯誤。2某同學(xué)對機(jī)械波和電磁波進(jìn)行類比，總結(jié)出下列內(nèi)容，其中不正確的是()a機(jī)械波的頻率、波長和波速三者滿足的關(guān)系，對電磁波也適用b機(jī)械波和電磁波都能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象c機(jī)械波的傳播依賴于介質(zhì)，而電磁波可以在真空中傳播d機(jī)械波既有橫波又有縱波，而電磁波只有縱波解析：選d波長、波速、頻率的關(guān)系對任何波都是成立的，對電磁波也成立，故a正確；干涉和衍射是波的特性，機(jī)械波、電磁波都是波，這些特性都具有，故b正確；機(jī)械波是機(jī)械振動在介質(zhì)中傳播形成的，所以機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)，而電磁波是交替變化的電場和磁場由近及遠(yuǎn)的傳播形成的，所以電磁波傳播不需要介質(zhì)，故c項正確；機(jī)械波既有橫波又有縱波，但是電磁波只能是橫波，d項錯誤。3(多選)lc振蕩電路中，通過p點的電流變化規(guī)律如圖乙所示(圖中周期為2 s)?，F(xiàn)規(guī)定沿順時針方向的電流方向為正，則()a0.5 s至1 s時間內(nèi)，電容器充電b0.5 s至1 s時間內(nèi)，電容器上極板帶的是正電c1 s至1.5 s時間內(nèi)，磁場能正在轉(zhuǎn)化為電場能d1 s至1.5 s時間內(nèi)，電容器下極板的電勢高解析：選ad由振蕩電流的圖象可知，在0.51 s的時間內(nèi)，電流為正方向，且電流值正在減小，由題意可知，lc回路中的電流是沿順時針方向的，而且電容器c正在充電。由于充電電流是由電容器c的負(fù)極板流出，流向正極板，可知在0.51 s的時間內(nèi)電容器c的上極板帶負(fù)電，下極板帶正電，選項a正確，b錯誤；在11.5 s的時間內(nèi)，電流為負(fù)方向，且電流的值正在增大，由題意可知，此時間內(nèi)lc回路中的電流是沿逆時針方向的，所以電容器下極板的電勢高，而且由于電流值正在增大，所以電場能正在轉(zhuǎn)化為磁場能，選項c錯誤，d正確。4要增大lc振蕩電路的頻率，可采取的辦法是()a增大電容器兩極板正對面積b減少極板帶電荷量c在線圈中放入軟鐵棒作鐵芯d減少線圈匝數(shù)解析：選d根據(jù)lc振蕩電路的頻率公式f和平行板電容器電容公式c知，當(dāng)增大電容器兩極板正對面積時，c增大，f減??；減少極板帶電荷量，不影響c，即f不變；在線圈中放入軟鐵棒作鐵芯，l增大，f減?。粶p少線圈匝數(shù)，l減小，f增大。故d正確。作業(yè)1建立完整的電磁場理論并首先預(yù)言電磁波存在的科學(xué)家是()a法拉第 b奧斯特c赫茲 d麥克斯韋解析：選d麥克斯韋建立了電磁場理論并且預(yù)言了電磁波的存在，選項d正確。2下列說法錯誤的是()a變化的磁場周圍一定存在著電場，與是否有閉合電路無關(guān)b恒定電流能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場c穩(wěn)定電場能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場d均勻變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場解析：選c變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，當(dāng)電場中有閉合回路時，回路中有電流，若無閉合回路，電場仍然存在，a對；電場按其是否隨時間變化分為穩(wěn)定電場(靜電場)和變化電場(如運動電荷形成的電場)，穩(wěn)定電場不產(chǎn)生磁場，只有變化的電場周圍空間才存在對應(yīng)磁場，故c錯，d對；恒定電流周圍存在穩(wěn)定磁場，b對。3關(guān)于lc振蕩電路中的振蕩電流，下列說法中正確的是()a振蕩電流最大時，電容器兩極板間的電場強度最大b振蕩電流為零時，線圈中自感電動勢為零c振蕩電流增大的過程中，線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化成電場能d振蕩電流減小的過程中，線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能解析：選d振蕩電流最大時處于電容器放電結(jié)束瞬間，電場強度為零，a錯誤；振蕩電流為零時，振蕩電流改變方向，這時的電流變化最快，電流變化率最大，線圈中的自感電動勢最大，b錯誤；振蕩電流增大時，電場能轉(zhuǎn)化為磁場能，c錯誤；振蕩電流減小時，線圈中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能，d正確。4在lc振蕩電路中，電容器上帶的電荷量從最大值變化到零所需的最短時間是()a. b.c d2解析：選blc振蕩電路的周期t2，其中電容器上的電荷量從最大值變到零所需的最短時間為t，只有選項b正確。5如圖所示的電路中，l是電阻不計的電感器，c是電容器，閉合開關(guān)s，待電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，再斷開開關(guān)s，lc電路中將產(chǎn)生電磁振蕩，如果規(guī)定電感器l中的電流方向從a到b為正，斷開開關(guān)的時刻為t0，那么選項圖中能正確表示電感器中的電流i隨時間t變化規(guī)律的是() 解析：選cs斷開前，ab段短路，電流從ba，電容器不帶電；s斷開時，ab中產(chǎn)生自感電動勢，阻礙電流減小，給電容器充電，此時電流負(fù)向最大；給電容器充電過程，電容器充電量達(dá)到最大時，ab中電流減為零；此后，lc回路發(fā)生電磁振蕩形成交變電流。綜上所述，選項c正確。6有一lc振蕩電路，能產(chǎn)生一定波長的電磁波，若要產(chǎn)生波長比原來短一些的電磁波，可用的措施為()a增加線圈匝數(shù)b在線圈中插入鐵芯c減小電容器極板正對面積d減小電容器極板間距離解析：選c由于電磁波傳播過程中波速vf恒定，因此欲使波長變短，必須使頻率f升高，由于頻率f，所以，增加線圈匝數(shù)和在線圈中插入鐵芯，將使線圈自感系數(shù)l增大而降低頻率f；減小電容器極板間距將使電容c增大而降低頻率f；減小電容器極板正對面積將使電容c減小而升高頻率f?？梢?，選項c正確。二、多項選擇題7某lc回路電容器兩端的電壓u隨時間t變化的關(guān)系如圖所示，則()a在時刻t1，電路中的電流最大b在時刻t2，電路中的磁場能最大c從時刻t2至t3，電路的電場能不斷增大d從時刻t3至t4，電容器的電荷量不斷增大解析：選bc由lc回路中各物理量的變化規(guī)律可知，時刻t1電容兩端電壓最高時，電路中振蕩電流為零，時刻t2電容兩端電壓為零，電路中振蕩電流最強、磁場能最大，選項a錯誤，b正確；在t2至t3的過程中，從題圖可知，電容器兩板電壓增大，故電場能增加，選項c正確；而在t3至t4的過程中，電容器兩板電壓減小，電荷量同時減少，選項d錯誤。8一個lc振蕩電路中，線圈的自感系數(shù)為l，電容器電容為c，從電容器上電壓達(dá)到最大值u開始計時，則有()a至少經(jīng)過，磁場能達(dá)到最大b至少經(jīng)過，磁場能達(dá)到最大c在時間內(nèi)，電路中的平均電流是d在時間內(nèi)，電容器放電量為cu解析：選bcdlc振蕩電路周期t2，電容器電壓最大時，開始放電，至少經(jīng)時間，放電結(jié)束，此時電容器電荷量為零，電路中電流最大，磁場最強，磁場能最大。因為qcu，所以電容器放電量qcu，由i，所以i 。三、非選擇題9實驗室里有一水平放置的平行板電容器，其電容c1 f。在兩板帶有一定電荷時，發(fā)現(xiàn)一粉塵恰好靜止在兩板間。還有一個自感系數(shù)l0.1 mh的電感器，現(xiàn)連成如圖所示電路，試分析以下兩個問題：(1)從s閉合時開始計時，經(jīng)過105 s時，電容器內(nèi)粉塵的加速度大小是多少？(2)當(dāng)粉塵的加速度為多大時，線圈中電流最大？解析：(1)s斷開時，電容器內(nèi)帶電粉塵恰好靜止，說明電場力方向向上，且f電mg，閉合s后，l、c構(gòu)成lc振蕩電路，t22105 s，經(jīng)過105 s時，電容器間的電場強度反向，電場力的大小不變，方向豎直向下，由牛頓第二定律得a2g。(2)線圈中電流最大時，電容器兩極間的電場強度為零，由牛頓第二定律可得ag，方向豎直向下。答案：(1)2g(2)g，方向豎直向下10如圖所示，線圈的自感系數(shù)l0.5 mh，電容器的電容c0.2 f，電源電動勢e4 v，電阻的阻值r10 ，不計線圈和電源的內(nèi)阻，閉合開關(guān)s，待電路中電